宋萌萌 肖順根,2 林世斌

1.寧德師范學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院，寧德，3521002.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海，200072

基于再生運(yùn)動(dòng)鏈法的鎖芯機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

宋萌萌1肖順根1,2林世斌1

1.寧德師范學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院，寧德，3521002.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海，200072

在分析現(xiàn)有鎖具機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行還原再生，找出滿(mǎn)足拓?fù)湟笈c約束要求的非同構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈，從而實(shí)現(xiàn)新鎖具的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新。首先應(yīng)用一般化原則將現(xiàn)有玥瑪空轉(zhuǎn)鎖芯機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)的一般化鏈；然后運(yùn)用數(shù)綜合理論，對(duì)原型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行還原，找到所有可能的具有相同構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)的一般化運(yùn)動(dòng)鏈圖譜；再根據(jù)設(shè)計(jì)要求與約束對(duì)運(yùn)動(dòng)鏈進(jìn)行元件識(shí)別，從而得到可行特定化鏈；最后由可行特定化鏈具體化為新的鎖芯機(jī)構(gòu)方案簡(jiǎn)圖。利用三維軟件對(duì)新設(shè)計(jì)的鎖芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模并分析其工作原理，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的鎖芯機(jī)構(gòu)是合理的，并申請(qǐng)了2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。

空轉(zhuǎn)鎖芯；機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)法；一般化原則；數(shù)綜合；三維建模

0 引言

鎖具是人類(lèi)生活中不可或缺的機(jī)械裝置。從早期的繩結(jié)鎖到木鎖，從金屬鎖到現(xiàn)代電子鎖，鎖具結(jié)構(gòu)不斷演變，其設(shè)計(jì)概念應(yīng)用了仿生學(xué)原理、杠桿原理，以及編碼原理等。雖然將來(lái)會(huì)有越來(lái)越多的鎖具包含電子元器件，但是機(jī)械鎖具的改進(jìn)一定會(huì)繼續(xù)進(jìn)行下去，因?yàn)樵谖磥?lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，機(jī)械鎖具將不會(huì)被其他新型鎖具所取代，它仍將占據(jù)主流地位。鎖具在人們的生活中被用于保護(hù)私人財(cái)產(chǎn)安全，這使得對(duì)它的安全技術(shù)的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)具有非凡的意義。

就金屬機(jī)械鎖而言，現(xiàn)代鎖具中的空轉(zhuǎn)鎖芯技術(shù)是一個(gè)非常成功的發(fā)明，可以說(shuō)它是一個(gè)里程碑式的發(fā)明。雖然不同廠家在技術(shù)設(shè)計(jì)上略有不同，如 “無(wú)簧空轉(zhuǎn)/精鋼亂碼鎖”[1]、玥瑪鎖的“空轉(zhuǎn)鎖芯”、旋轉(zhuǎn)彈子鎖、旋轉(zhuǎn)扣槽彈子鎖等，但其空轉(zhuǎn)原理大體上是相同的，并且以上列舉的鎖具發(fā)明都是超B級(jí)鎖具。另外陳立蓉等[2-3]設(shè)計(jì)了“J型鎖芯”結(jié)構(gòu)防盜鎖[2]和“卡片”式機(jī)械鎖[3]。葉片空轉(zhuǎn)鎖的工作原理是，將原配鑰匙插進(jìn)鎖芯內(nèi)，鑰匙上的“牙花”與鎖芯內(nèi)的葉片級(jí)差相吻合，葉片上的級(jí)差凹槽就組合成一道直凹槽，在活動(dòng)銷(xiāo)子上方(外殼)的彈力壓簧作用下，銷(xiāo)子完全滑入凹槽內(nèi)，中殼內(nèi)的活動(dòng)銷(xiāo)子也同時(shí)隨著落下，連接后級(jí)形成一體，此時(shí)，如果轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙，形成一體后的鎖芯就會(huì)帶動(dòng)其他機(jī)械部分一起旋轉(zhuǎn)[4]，如果是非原配鑰匙或其他物體插進(jìn)鎖芯，則無(wú)法達(dá)到前后級(jí)完全吻合，只能轉(zhuǎn)動(dòng)前級(jí)，形成空轉(zhuǎn)。

鎖具設(shè)計(jì)的核心在于鎖芯機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，再生運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)法是創(chuàng)新設(shè)計(jì)中較為常用的一種方法，文獻(xiàn)[5-8]將該方法應(yīng)用于齒輪傳動(dòng)、抽油機(jī)、連桿、成形鼓等機(jī)構(gòu)中，得到了需求機(jī)構(gòu)。本文應(yīng)用機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)法對(duì)鎖芯機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過(guò)研究鎖芯內(nèi)部機(jī)構(gòu)的工作原理并對(duì)它進(jìn)行一般化、數(shù)綜合，得到原始的運(yùn)動(dòng)鏈圖譜，找出可行特定化鏈圖譜，創(chuàng)造出新的鎖芯機(jī)構(gòu)。

1 再生運(yùn)動(dòng)鏈法原理

機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)法是以現(xiàn)有裝置為基礎(chǔ)構(gòu)想出機(jī)械裝置全部可能的拓?fù)錁?gòu)造的一種創(chuàng)造性設(shè)計(jì)法，可以發(fā)明、創(chuàng)造出新型機(jī)構(gòu)[9]，它是顏鴻森[10]通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)機(jī)構(gòu)數(shù)綜合理論成果并示例化的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。該方法具體分為6個(gè)步驟，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示[11]。

圖1 再生運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)法流程圖Fig.1 A flow chart of the design method ofregenerative kinematic chain

2 鎖芯機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

鎖芯機(jī)構(gòu)是鎖具的核心元件，是鎖具驗(yàn)證鑰匙正確性的關(guān)鍵。對(duì)于金屬機(jī)械鎖，鎖芯以外的部分可以概括為是一個(gè)凸輪機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)加上幾個(gè)基本桿組構(gòu)成。鑰匙插入鎖芯后帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)，撥動(dòng)鎖栓開(kāi)鎖。現(xiàn)代機(jī)械鎖種類(lèi)繁多，根據(jù)防盜級(jí)別可分為A級(jí)、B級(jí)。B級(jí)鎖中有“無(wú)簧空轉(zhuǎn)/精鋼亂碼鎖”、“空轉(zhuǎn)鎖芯”的玥瑪鎖、旋轉(zhuǎn)彈子鎖、旋轉(zhuǎn)扣槽彈子鎖等。

本文主要在現(xiàn)有空轉(zhuǎn)鎖芯的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，應(yīng)用機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，找出滿(mǎn)足拓?fù)湟笈c約束要求的非同構(gòu)運(yùn)動(dòng)鏈，獲得全新的鎖芯機(jī)構(gòu)。

2.1空轉(zhuǎn)鎖芯的現(xiàn)有設(shè)計(jì)

選用玥瑪空轉(zhuǎn)鎖芯的機(jī)構(gòu)(圖2)為現(xiàn)有設(shè)計(jì)。玥瑪空轉(zhuǎn)鎖芯將傳統(tǒng)的彈子鎖上下彈孔的對(duì)孔相互穿插鎖定改為用彈片相互位置滑動(dòng)加上一個(gè)整體鍵子進(jìn)行鎖定[12]。根據(jù)圖2所示的空轉(zhuǎn)鎖芯，其開(kāi)鎖過(guò)程分析如下：插入正確鑰匙，撥動(dòng)彈片到相應(yīng)位置；當(dāng)所有彈片的鍵槽齊集于鎖芯槽坑之處時(shí)整體鍵子落下；整體鍵子落下后，與它相對(duì)固定的銷(xiāo)落入鎖芯的后節(jié)，使鎖芯前節(jié)后節(jié)成為一體，使后節(jié)可以被轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 玥瑪空轉(zhuǎn)鎖芯Fig.2 Idle lock core of Yue Ma lock

空轉(zhuǎn)鎖芯的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3，其拓?fù)涮匦匀缦拢核怯?個(gè)構(gòu)件和8個(gè)運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成的機(jī)構(gòu)；它有1個(gè)機(jī)架(構(gòu)件5)、1個(gè)內(nèi)圈(構(gòu)件1)、1個(gè)整體鍵子(構(gòu)件2)、1個(gè)彈片(構(gòu)件3)、1個(gè)鑰匙凸塊(構(gòu)件4)和1個(gè)鎖芯后節(jié)(構(gòu)件6)；它具有4個(gè)移動(dòng)副(b、c、d、g)、2個(gè)凸輪副(e、f)和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(a、h)。

圖3 空轉(zhuǎn)鎖芯機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Mechanism diagram of idle lock core

該鎖芯機(jī)構(gòu)的自由度為1，當(dāng)去掉鎖芯后節(jié)即空轉(zhuǎn)時(shí)，它的自由度為2，并且它由閉合鏈變?yōu)橐粋€(gè)開(kāi)鏈，構(gòu)件5變成開(kāi)鏈的一端。其拓?fù)錁?gòu)造矩陣表示為

(1)

一個(gè)構(gòu)件數(shù)(或桿件數(shù))為NL、運(yùn)動(dòng)副數(shù)為NJ的機(jī)械裝置(NL,NJ)的拓?fù)錁?gòu)造矩陣MT為方陣，其對(duì)角元素eii=Ki，非對(duì)角元素eij=A(i≠j)， Ki表示第i個(gè)構(gòu)件，A表示運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型或標(biāo)號(hào)。eij≠0表示i桿和j桿存在附隨關(guān)系，否則eij=0。例如，e11= K1表示第1個(gè)構(gòu)件；若構(gòu)件1和構(gòu)件2鄰接，則元素e12=JP，表示構(gòu)件1和2之間運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型為JP，元素e21=d表示該運(yùn)動(dòng)副的標(biāo)號(hào)為d；若構(gòu)件1和2互不鄰接，則e12=e21=0。JP表示移動(dòng)副，JR表示轉(zhuǎn)動(dòng)副，JA表示凸輪副。

2.2一般化過(guò)程

根據(jù)一般化原則，對(duì)圖3中的機(jī)構(gòu)進(jìn)行一般化。具體過(guò)程如下：①將機(jī)架(構(gòu)件5)釋放并一般化為二副桿5；②將內(nèi)圈(構(gòu)件1)一般化為四副桿1；③將整體鍵子(構(gòu)件2)一般化為三副桿2；④將彈片(構(gòu)件3)一般化為三副桿3；⑤將鑰匙(構(gòu)件4)一般化為二副桿4；⑥將鎖芯后節(jié)(構(gòu)件6)一般化為二副桿6；⑦將凸輪副(運(yùn)動(dòng)副e)一般化為帶有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副i、j的二副桿7；⑧將凸輪副(運(yùn)動(dòng)副f)一般化為帶有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副k、m的二副桿8；⑨將所有移動(dòng)副(b、c、d、g)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)副(b、c、d、g)。

經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后得到圖4所示的一般化鏈，可知這是一個(gè)具有8個(gè)一般化連桿和10個(gè)一般化運(yùn)動(dòng)副的一般化運(yùn)動(dòng)鏈。

圖4 空轉(zhuǎn)鎖芯的一般化鏈Fig.4 Generalized chain of idle lock core

2.3數(shù)綜合過(guò)程

2.3.1自由度數(shù)與綜合連桿類(lèi)配的計(jì)算

選擇閉合情況下的自由度，顯然自由度為1。

由2.2節(jié)可知，一般化鏈的NL=8、NJ=10、Fp=1(Fp為自由度)。根據(jù)相關(guān)理論[11]，它的連桿類(lèi)配AL計(jì)算過(guò)程如下。

連桿類(lèi)配AL是指鏈中連桿的數(shù)目類(lèi)型，類(lèi)型包括二副桿(NL2)、三副桿(NL3)、四副桿(NL4)等數(shù)目組成，表示為

AL=[NL2/NL3/NL4/…]

因?yàn)橐话慊準(zhǔn)沁B通、閉合且無(wú)分離桿的，所以(NL,NJ)一般化鏈的連桿類(lèi)配可以由下式求出：

NL2+NL3+…+NLi+…+NLm=NL

(2)

2NL2+3NL3+…+iNLi+…+mNLm=2NJ

(3)

式中，NLi為i副桿的數(shù)目；m為最多副桿所附隨的運(yùn)動(dòng)副數(shù)。

并且NJ還受下式制約：

NL≤NJ≤NL(NL-1)/2

(4)

根據(jù)圖論的基本概念可得

(5)

由于NJ滿(mǎn)足NL≤NJ≤2NL-3，經(jīng)計(jì)算得mmax=4，因此，求得所有可能的連桿類(lèi)配為：[5/2/1]，[6/0/2]，[4/4/0]。

2.3.2綜合縮桿類(lèi)配的計(jì)算

縮桿類(lèi)配ACL=[NC1/NC2/NC3/…](其中NC1表示擁有1個(gè)二副桿的縮桿數(shù)量，NC2表示擁有2個(gè)二副桿的縮桿數(shù)量，NC3類(lèi)似)，相當(dāng)于對(duì)NL2進(jìn)行分割，分割后由NC個(gè)部分組成，且滿(mǎn)足

NC1+NC2+…+NCr=NC

(6)

NC1+2NC2+…+rNCr=NL2

(7)

其中r≤FP+1，NC滿(mǎn)足

(8)

其中

2Jm=3NL3+4NL4+…+mNLm

(9)

(10)

式中，Nm為多副桿數(shù)目。

由式(6)～式(10)，可以計(jì)算出同一連桿類(lèi)配的所有縮桿類(lèi)配，得到結(jié)果如下：

2.3.3綜合附隨運(yùn)動(dòng)副序列的計(jì)算

縮桿鄰接矩陣MCLA定義如下：將運(yùn)動(dòng)鏈中串聯(lián)在一起的二副桿視為一個(gè)縮桿，在縮桿鄰接矩陣MCLA中，如果對(duì)角線元素eii=+4，則表示該連桿的種類(lèi)為四副桿；如果eii=-5則表示桿i是一個(gè)串聯(lián)了5個(gè)二副桿的縮桿；非對(duì)角線元素eij=w，表示桿i與桿j之間附隨的運(yùn)動(dòng)副數(shù)，如兩者之間有1個(gè)運(yùn)動(dòng)副，則eij=1，同時(shí)可知w的值只會(huì)是0、1、2，無(wú)其他可能。為方便起見(jiàn)，將矩陣MCLA分割為4個(gè)子矩陣Mul、Mur、Mll、Mlr，即

式中，Mul為多副桿子方陣；Mur為多副桿與縮桿鄰接關(guān)系子陣；Mll為Mur的轉(zhuǎn)置矩陣；Mlr為縮桿子方陣。

在構(gòu)造Mul之前，必須先綜合出所有的多副桿與多副桿之間的附隨運(yùn)動(dòng)序列H={a1,a2,…,ai,…,aNm}，ai的下標(biāo)i為多副桿的標(biāo)號(hào)，ai的數(shù)值表示該多副桿與其他多副桿之間的運(yùn)動(dòng)副數(shù)的總和，即該對(duì)角元素所在的行或列除自身外所有元素之和，即

(11)

令ai的和為2Jd，并且有

2Jd=2Jm-2NC

(12)

對(duì)于綜合運(yùn)動(dòng)副序列，在計(jì)算過(guò)程中可以把2Jd分成k部分，相當(dāng)于有k個(gè)構(gòu)件，共2Jd個(gè)運(yùn)動(dòng)副，所以只有k個(gè)多副桿分配了運(yùn)動(dòng)副，其余多副桿沒(méi)有分配運(yùn)動(dòng)副，即k≤Nm。同時(shí)為避免出現(xiàn)子剛性鏈，k還需滿(mǎn)足下面2個(gè)限制條件：①分割的最大部分的附隨運(yùn)動(dòng)副數(shù)t應(yīng)小于k且小于多副桿的運(yùn)動(dòng)副數(shù)，即t0。進(jìn)而得到如下綜合結(jié)果：

(1)連桿元素序列為(4，3，3，-1，-2，-2)，且Jm=5，Nm=3，NC=3，Jd=2，k≤3。由限制條件②可得，k≥3，同時(shí)t

(2)連桿元素序列為(4，3，3，-1，-1，-1，-1，-1)，且Jm=5，Nm=3，NC=5，Jd=0，所以k=0，H3={0，0，0}。

(3)連桿元素序列為(4，4，-2，-2，-2)，且Jm=4，Nm=2，NC=3，Jd=1，k≤2。由限制條件②可得，k>1，所以k=2同時(shí)t

(4)連桿元素序列為(3，3，3，3，-1，-1，-1，-1)，且Jm=6，Nm=4，NC=4，Jd=2，k≤4。由限制條件②可得，k≥3同時(shí)t

(5)連桿元素序列為(3，3，3，3，-1，-1，-2)，且Jm=6，Nm=4，NC=3，Jd=3，k≤4。由限制條件②可得，k>3同時(shí)t

(6)連桿元素序列為(3，3，3，3，-2，-2)，且Jm=6，Nm=4，NC=2，Jd=4，k≤4。由限制條件②可得，k≥4同時(shí)t

2.3.4綜合矩陣Mul的計(jì)算

對(duì)縮桿鄰接矩陣對(duì)角元素為(4，3，3，-1，-2，-2)，所對(duì)應(yīng)的Jd=2，2Jd=4，H1={2，1，1}，H2={1，2，1}，對(duì)矩陣Mul的對(duì)角元素eii=(4，3，3)進(jìn)行標(biāo)號(hào)，其集合定義為SML={1，2，3}，可得其連桿群為

DL={PL1,PL2}
PL1=[1][2][3]，PL2=[1][2/3]

其中，[2/3]表示構(gòu)件2和構(gòu)件3具有相似性，兩個(gè)構(gòu)件互換后與其他構(gòu)件的附隨關(guān)系不會(huì)改變。

其運(yùn)動(dòng)副群為

DJ={PJ1,PJ2}
PJ1=[e12][e13][e23]，PJ2=[e12/e13][e23]

可得連桿相似類(lèi)為{1}、{2，3}，運(yùn)動(dòng)副相似類(lèi)為{e12，e13}、{e23}。

將Jd個(gè)“1”分配給非對(duì)角線元素eij，其余元素為“0”，同時(shí)每列的和需滿(mǎn)足式(11)。先將2個(gè)“1”分配給運(yùn)動(dòng)副相似類(lèi){e12，e13}，得到(1，1)、(1，0)兩種結(jié)果；對(duì)于結(jié)果1(1，1)，沒(méi)有排列被破壞，繼續(xù)以此排列群為修正排列群進(jìn)行分配，可得(1)、(0)，其中(1)不滿(mǎn)足條件；對(duì)于結(jié)果2(1，0)，排列PJ2被破壞，去除此排列并修正排列群進(jìn)行分配，可得(1)、(0)，其中(0)不滿(mǎn)足條件。

與H1對(duì)應(yīng)的矩陣為

與H2對(duì)應(yīng)的矩陣為

根據(jù)H1到H2計(jì)算Mul的方法，同理可得H3到H8對(duì)應(yīng)的Mul矩陣，在此不贅述。

2.3.5綜合矩陣Mur的計(jì)算

綜合矩陣Mur的求法與綜合矩陣Mul類(lèi)似，過(guò)程相當(dāng)于將2NC分配給Nm個(gè)多副桿，設(shè)bi=eii-ai，Hr={b1,b2,…,bi,…,bNm}，其中，bi為矩陣Mur每行元素之和，同時(shí)每列之和必須等于2，其限制條件描述如下：

(13)

(14)

當(dāng)連桿類(lèi)配AL=[5/2/1]、縮桿類(lèi)配ALC=[1/2]時(shí)，易得eii=(4，3，3，-1，-2，-2)，H1={2，1，1}，Nm=3，NC=3。根據(jù)前一部分Mul的計(jì)算思路，同理可得

多副桿有兩個(gè)排列：[1] [2] [3]和[1] [2/3]，而縮桿的連桿排列群也有兩個(gè)排列：[4] [5] [6]和[4] [5/6]，兩者組合后形成4組排列：

DL={PL1,PL2,PL3,PL4}
PL1=[1] [2] [3] [4] [5] [6]
PL2=[1] [2] [3] [4] [5/6]
PL3=[1] [2/3] [4] [5] [6]
PL4=[1] [2/3] [4] [5/6]

其運(yùn)動(dòng)副群為

DJ={PJ1,PJ2,PJ3,PJ4}
PJ1= [e14][e15][e16][e24][e25][e26][e34][e35] [e36]
PJ2=[e14][e15/e16][e24][e25/e26][e34] [e35/e36]
PJ3=[e14][e15][e16][e24/e34][e25/e35] [e26/e36]
PJ4=[e14][e15/e16][e24/e34][e25/e36] [e35/e26]

可得連桿相似類(lèi)為{1}、{2，3}、{4}、{5，6}；運(yùn)動(dòng)副相似類(lèi)為{e14}、{e15，e16}、{e24，e34}、{e25，e26，e35，e36}。

然后，采用類(lèi)似上節(jié)的方法進(jìn)行分配后可得矩陣Mur為

相應(yīng)可得AL=[5/2/1]、ALC=[1/2]，H1={2，1，1}時(shí)的縮桿鄰接矩陣為

或

其他對(duì)應(yīng)的縮桿鄰接矩陣可由上述方法求得。

最后可求得8桿10副對(duì)應(yīng)的一般化運(yùn)動(dòng)鏈的數(shù)目共有16個(gè)。(8，10)一般化運(yùn)動(dòng)鏈圖譜如圖5所示，圖譜中a類(lèi)運(yùn)動(dòng)鏈的連桿類(lèi)配為AL=[4/4/0]，b類(lèi)運(yùn)動(dòng)鏈的連桿類(lèi)配為AL=[5/2/1]，c類(lèi)運(yùn)動(dòng)鏈的連桿類(lèi)配為AL=[6/0/2]。

圖5 (8，10)一般化運(yùn)動(dòng)鏈圖譜Fig.5 The chart of generalized kinematic chainfor (8，10)

2.4特定化過(guò)程

2.4.1設(shè)計(jì)約束

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的拓?fù)錁?gòu)造，歸納設(shè)計(jì)要求與約束情況如下：

(1)機(jī)架(固定桿)。應(yīng)有一個(gè)固定桿為機(jī)架；機(jī)架應(yīng)與內(nèi)圈有附隨關(guān)系；機(jī)架不可能與鑰匙有附隨關(guān)系。

(2)內(nèi)圈桿。內(nèi)圈桿與葉片桿、鑰匙桿存在附隨關(guān)系；內(nèi)圈是一個(gè)三副桿或四副桿。

(3)鑰匙。鑰匙是一個(gè)二副桿。

(4)彈片。彈片與鑰匙存在附隨關(guān)系，它也應(yīng)為三副桿。

(5)整體鍵子。整體鍵子是鎖芯前后兩節(jié)聯(lián)系的載體，所以它與鎖芯后節(jié)存在附隨關(guān)系；同時(shí)，它與彈片存在附隨關(guān)系，但一定與鑰匙不鄰接；因?yàn)樗鼫贤ㄇ昂蟛糠?，所以它必然還與前節(jié)中的某一部分鄰接，所以它也是一個(gè)多副桿。

(6)凸輪副。鑰匙與彈片間為凸輪副，即二副桿，彈片與鍵子之間也一樣。

2.4.2特定化

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求與約束，以及數(shù)綜合得到的一般化運(yùn)動(dòng)鏈圖譜，可得圖5所示b類(lèi)圖中的第2個(gè)圖譜b2和第5個(gè)圖譜b5均符合設(shè)計(jì)要求與約束要求，且第5個(gè)圖譜b5也是現(xiàn)有設(shè)計(jì)的一般化鏈。針對(duì)圖5中圖譜b2所示的(8，10)運(yùn)動(dòng)鏈，先將此鏈標(biāo)號(hào)，如圖6所示，再找出所有可能的特定化鏈。

圖6 b2一般化鏈的標(biāo)號(hào)Fig.6 The label of generalized kinematic chain for b2

由圖6可得此一般化鏈的連桿群為

DL={PL1,PL2}
PL1=[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]
PL2=[1] [2] [3] [4/5] [6] [7] [8]

其運(yùn)動(dòng)副群為

DJ={PJ1,PJ2}
PJ1=[a/d] [b] [c] [e/f] [g] [h] [i] [j] [k]
PJ2=[a] [b] [c] [d] [e] [f] [g] [h] [i] [j] [k]

可得連桿相似類(lèi)為{1}、{2}、{3}、{6}、{7}、{8}、{4，5}；運(yùn)動(dòng)副相似類(lèi)為{a，d}、{e，f}、、{c}、{g}、{h}、{i}、{j}。

(1)鑰匙桿。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知鑰匙桿在一個(gè)有2個(gè)二副桿的縮桿上，所以可以確定，鑰匙桿為連桿8，同時(shí)運(yùn)動(dòng)副i、j和連桿7相當(dāng)于凸輪副。

(2)彈片桿。由于彈片桿是三副桿且與鑰匙鄰接，所以可知，彈片桿為連桿2，同時(shí)運(yùn)動(dòng)副h、g和連桿6相當(dāng)于凸輪副。

(3)整體鍵子。易知連桿3為整體鍵子。

(4)內(nèi)圈桿。剩下的一個(gè)多副桿1為內(nèi)圈桿。

(5)固定桿和鎖芯后節(jié)。由上述相似類(lèi)中可以看出，連桿4與連桿5是等價(jià)的，所以選擇連桿4為固定桿，連桿5為鎖芯后節(jié)。

(6)轉(zhuǎn)動(dòng)副與移動(dòng)副。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，內(nèi)圈與固定桿之間的運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)，所以運(yùn)動(dòng)副a為轉(zhuǎn)動(dòng)副；鑰匙與內(nèi)圈之間的運(yùn)動(dòng)為移動(dòng)，所以運(yùn)動(dòng)副b為移動(dòng)副；因?yàn)殒I子與鎖芯后節(jié)和機(jī)架都是徑向移動(dòng)的，所以運(yùn)動(dòng)副e、f都是移動(dòng)副。剩下的運(yùn)動(dòng)副有(c，d)，設(shè)分配的移動(dòng)副記為“1”，轉(zhuǎn)動(dòng)副記為“0”，如此分配共有4種可能，即(1，1)、(1，0)、(0，1)、(0，0)。因此，可得到圖7所示的特定化鏈。

(c)(0，0)的特定化鏈 (d)(0，1)的特定化鏈圖7 特定化鏈表示圖Fig.7 The representation chart of the specific chain

2.5具體化過(guò)程

參照原有的鎖芯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)圖7所示的4種特定化鏈分別繪制出相應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖8。

(a)(1，1)特定化鏈 (b)(1，0)特定化鏈

(c)(0，1)特定化鏈 (d)(0，0)特定化鏈圖8 具體化的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Specific mechanism diagram

3 新型鎖芯機(jī)構(gòu)的模型構(gòu)建

為了說(shuō)明新設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的合理性，以圖8d為例，利用Solidwork三維軟件建立圖8d所示的具體化機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖的三維模型。先建立所有零件的三維模型，再建立它們的裝配體。通過(guò)基本的拉伸、旋轉(zhuǎn)、切除、掃描等操作進(jìn)行三維建模，所建立的零件模型如圖9所示。

(a)零件1固定桿 (b)零件2整體鍵子 (c)零件3內(nèi)圈

(d)零件4鎖芯后節(jié) (e)零件5葉片(彈片) (f)零件6鑰匙 圖9 新型鎖芯零件模型Fig.9 Part model of the new lock core

然后建立新型鎖芯機(jī)構(gòu)的裝配體，通過(guò)零件之間的關(guān)系來(lái)選擇配合，鎖芯機(jī)構(gòu)的裝配體如圖10所示。

圖10 新型空轉(zhuǎn)鎖芯機(jī)構(gòu)裝配圖Fig.10 Mechanism assembly diagram of the new idle lock core

新型空轉(zhuǎn)鎖芯機(jī)構(gòu)主要由圖8d所示機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)副的變異和機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)變異演化成圖10所示的三維機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要采取旋轉(zhuǎn)式葉片作為移動(dòng)障礙物，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鑰匙的檢驗(yàn)。

在零件3內(nèi)圈邊緣表面，沿內(nèi)圈的縱切面加工一道槽，旋轉(zhuǎn)的葉片邊緣也有同樣的槽，不過(guò)初始位置存在偏角。同時(shí)，支架和外圈上存在相應(yīng)的滑塊腔。每個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片都相當(dāng)于一組彈子，如果有m個(gè)角度區(qū)域，n級(jí)葉片，理論上就有mn組鑰匙編碼。葉片內(nèi)圓上有凸起與鑰匙上的槽配合，兩者與圓柱凸輪副配合從而帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。

鑰匙上的曲面槽相應(yīng)的偏角與相應(yīng)葉片槽的偏角相適配。當(dāng)鑰匙未插入或者不正確的鑰匙插入時(shí)，旋轉(zhuǎn)葉片將偏轉(zhuǎn)不對(duì)應(yīng)的角度，使得葉片上的槽無(wú)法與內(nèi)圈上的槽吻合，則滑塊無(wú)法下降?；瑝K無(wú)法下降使得外圈與固定支架鎖定，而內(nèi)圈可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。如果此時(shí)是不正確的鑰匙插入，則鎖芯將會(huì)空轉(zhuǎn)(即不正確的鑰匙也能轉(zhuǎn)，但是無(wú)法驅(qū)動(dòng)鎖栓)，如圖11所示。

圖11 空轉(zhuǎn)狀態(tài)示意圖Fig.11 Idle state diagram

當(dāng)正確的鑰匙插入鎖芯時(shí)，旋轉(zhuǎn)葉片將偏轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的角度，使得葉片上的槽與內(nèi)圈上的槽吻合，滑塊被彈簧壓下。滑塊壓入內(nèi)圈的槽中，使外圈與固定支架的鎖定被解除，而內(nèi)圈與外圈相互鎖定并且可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。由于外圈與撥動(dòng)鎖栓的凸輪相連，隨著鑰匙的旋轉(zhuǎn)，內(nèi)圈帶動(dòng)外圈的凸輪來(lái)驅(qū)動(dòng)鎖栓，從而鎖被打開(kāi)，如圖12所示。

圖12 開(kāi)鎖狀態(tài)示意圖Fig.12 Unlocked state diagram

4 結(jié)論

本文以現(xiàn)有的空轉(zhuǎn)鎖芯為基礎(chǔ)，應(yīng)用機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動(dòng)鏈設(shè)計(jì)法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。首先對(duì)其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖進(jìn)行一般化，然后應(yīng)用數(shù)綜合理論對(duì)所得的8桿10副一般化鏈進(jìn)行數(shù)綜合。數(shù)綜合的結(jié)果一共得到16個(gè)一般化運(yùn)動(dòng)鏈圖譜，并可分為三類(lèi)：a類(lèi)為二副桿4個(gè)，三副桿4個(gè)；b類(lèi)為二副桿5個(gè)，三副桿2個(gè)，四副桿1個(gè)；c類(lèi)為二副桿6個(gè)，四副桿2個(gè)。隨后根據(jù)之前得到的設(shè)計(jì)要求與約束，對(duì)一般化鏈圖譜進(jìn)行特定化，得到 4個(gè)可行特定化鏈，最后對(duì)所得的特定化鏈進(jìn)行具體化，進(jìn)而得到新的鎖芯機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

為了便于分析新機(jī)構(gòu)的工作原理與該方案的可行性，利用三維軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模。最后，通過(guò)對(duì)模型的分析，表明新設(shè)計(jì)的鎖芯機(jī)構(gòu)是成功的，并且對(duì)新設(shè)計(jì)的鎖芯機(jī)構(gòu)申請(qǐng)了2項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。

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CreativeDesignofLockCylinderMechanismsBasedonRegenerationMovementChainMethod

SONG Mengmeng1XIAO Shungen1,2LIN Shibin1

1.School of information,Mechanical and Electrical Engineering,Ningde Normal University,Ningde，F(xiàn)ujian,352100 2.School of Mechatronic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai，200072

On the basis of analyses of the existing lock mechanisms, mechanism was restored the regenerative institutions using regeneration movement chain method to identify different kinematic chain mechanisms to meet topology requirements and constraint requirements in order to achieve mechanism innovation of new locks. First, existing Yue Ma idling cylinder body was transformed for corresponding generalized chain by using the principles of generalization; then a prototype kinematic chain was restored using the number synthesis theory in order to find all possible generalized kinematic chain patterns that had the same numbers of components and kinematics; then the movement chain identified the components according to design requirements and constraints , thus a viable specific chain was obtained, and finally the specific chain was transformed into a new organization sketch of lock cylinder. A new 3D model of lock mechanisms was established by using 3D software, and the working principles were analyzed. The results indicate that the lock cylinder mechanisms designed are reasonable, and successfully apply two national invention patents.

idling lock cylinder; mechanical regeneration movement chain method; general principle; number synthesis; three-dimensional modeling

TH112

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.21.015

2016-08-15

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J01643);福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15545);福建省高校杰出青年科研人才培育計(jì)劃資助資助(閩教科〔2015〕54號(hào))

(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

宋萌萌，女，1982年生。寧德師范學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院講師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)和智能控制等。發(fā)表論文9篇。E-mail:544824964@qq.com。肖順根，男，1983年生。寧德師范學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院副教授，上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院博士研究生。林世斌，男，1993年生。寧德師范學(xué)院信息與機(jī)電工程學(xué)院本科生。